en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-06-03-14
УДК: 681.787
Результаты исследования фазовых шумов лазерного интерферометра для проекта космического детектора гравитационных волн SOIGA
Полный текст на elibrary.ru
Публикация в Journal of Optical Technology
Донченко С.С., Давлатов Р.А., Лавров Е.А., Соколов Д.А., Скакун И.О., Гунин П.М. Результаты исследования фазовых шумов лазерного интерферометра для проекта космического детектора гравитационных волн SOIGA // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 6. С. 3–14. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-06-03-14
Donchenko S.S., Davlatov R.A., Lavrov E.A., Sokolov D.A., Skakun I.O., Gunin P.M. Phase noises research results of the laser interferometer for the SOIGA gravitational wave detector project [In Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 6. P. 3–14. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-06-03-14
Sergey Donchenko, Ruslan Davlatov, Evgeniy Lavrov, Denis Sokolov, Ivan Skakun, and Pavel Gunin, "Analysis of phase noises in the laser interferometer for the SOIGA gravitational wave detector project," Journal of Optical Technology. 90(6), 289-295 (2023)
Предмет исследования. Чувствительность макета бортового интерферометра для полунатурного моделирования в проекте космического детектора гравитационных волн SOIGA на орбитах ГЛОНАСС. Цель работы. Оценка и исследование источников шума в предложенной реализации лазерного гетеродинного интерферометра, который измеряет относительные перемещения пробных масс в проекте космической гравитационноволновой антенны. Метод. Численное моделирование и экспериментальные исследования влияния составных частей макета на чувствительность измерения линейных относительных перемещений. Основные результаты. Описан проект космической гравитационноволновой антенны «SOIGA» с различными конфигурациями космических аппаратов. Для межспутниковых интерферометрических измерений предлагается использовать транспондерный принцип, когда на каждом аппарате размещается приёмник и ретранслятор лазерного излучения, которое распространяется во встречных направлениях. Описаны принципы построения бортового гетеродинного интерферометра. Предложена схема построения наземного макета для проверки основных технических решений. Приведены результаты по оценке нелинейных оптических шумов для неоднозначных оптических путей интерферометра, нестабильности частоты лазерного модуля, температурных флуктуаций и т.д. Исследования радиочастотных сигналов, подаваемых на акустооптические модуляторы, показали отсутствие «призрачных» гармоник на гетеродинной частоте, также был определён оптимальный режим работы высокочастотного усилителя, при котором высшие гармоники не вносят вклад в погрешность измерений. Наибольший вклад в шумы макета интерферометра внесли температурные флуктуации. Суммарный расчётный шумовой бюджет не превышает 20 пм в диапазоне частот от 2 до 10 Гц. Сформулированы предложения по модернизации макета для уменьшения уровня шумов до требуемого уровня (менее 30 пм) во всем целевом диапазоне от 100 мГц до 10 Гц. Практическая значимость. Полученные в работе результаты могут быть использованы при разработке первой российской космической гравитационноволновой антенны.
Благодарность: исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 192911022\21.
межспутниковый лазерный интерферометр, гетеродинный интерферометр, детектирование гравитационных волн, шумы интерферометра, ГЛОНАСС
Коды OCIS: 230.0230, 120.3180, 040.2840
Список источников:1. Abbott B. P. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) et al. Observation of gravitational waves from a binary black hole merger // Physical Review Letters. 2016. V. 116. № 6. P. 061102:1-16. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102
2. Hammesfahr A. LISA mission study overview // Classical and Quantum Gravity. 2001. V. 18. № 10. P. 4045–4051. https://doi.org/10.1088/0264-9381/22/10/001
3. Conklin J.W., Buchman S., Aguero V. and etc. LAGRANGE: LAser GRavitational-wave ANtenna at GEo-lunar L3, L4, L5. 2011. https://arxiv.org/abs/1111.5264.
4. Kawamura S., Nakamura Т., Ando М. et al. The Japanese space gravitational wave antenna DECIGO // Classical and Quantum Gravity. 2006. V. 23. № 8.
P. S125. https://doi.org/10.1088/0264-9381/23/8/S17
5. Пустовойт В.И., Донченко С.И., Денисенко О.В., Фатеев В.Ф. Концепция создания космической лазерной гравитационной антенны на геоцентрической орбите ГЛОНАСС «SOIGA» // Альманах современной метрологии. 2020. № 1 (21). C. 27–49.
6. Донченко С.С., Фатеев В.Ф., Давлатов Р.А., Харламов П.Г., Карауш Е.А., Гостев Ю.В., Соколов Д.А., Лавров Е.А. Особенности высокоточной космической лазерной гравитационно-волновой антенны на основе спутников, движущихся по орбитам ГЛОНАСС // Альманах современной метрологии. 2020. № 3 (23). С. 53–96.
7. Sheard B., Heinzel G., Danzmann K. et al. Intersatellite laser ranging instrument for the GRACE follow-on mission // Journal of Geodesy. 2012. V. 86. P. 1083–1095. https://doi.org/10.1007/s00190-012-0566-3
8. Wanner G. Space-based gravitational wave detection and how LISA Pathfinder successfully paved the way // Nature Physics. 2019. 15. P. 200–202. https://doi.org/10.1038/s41567-019-0462-3
9. Zhang Y., Hines A.S., Valdes G., Guzman F. Investigation and mitigation of noise contributions in a compact heterodyne interferometer // Sensors. 2021. V. 21. № 17. P 5788:1–18. https://doi.org/10.3390/s21175788
10. Wu C.M., Deslattes R. Analytical modeling of the periodic nonlinearity in heterodyne interferometry // Applied Optics. 1998. V. 37. № 28. P. 6696–6700. https://doi.org/10.1364/AO.37.006696
11. Joo K.N., Ellis J.D., Spronck J.W., van Kan P.J., Schmidt R.H. Simple heterodyne laser interferometer with subnanometer periodic errors // Optics Letters. 2009. V. 34. № 3. P. 386–388. https://doi.org/10.1364/ol.34.000386
12. Wand V., Bogenstahl J., Braxmaier C., Danzmann K., Garcia A., Guzmán F., Heinzel G., Hough J., Jennrich O., Killow C. Noise sources in the LTP heterodyne interferometer // Classical and Quantum Gravity. 2006. V. 23. P. S159. https://doi.org/10.1088/0264-9381/23/8/S21
13. Heinzel G., Wand V., Garcia A., Guzman F., Steier F., Killow C., Robertson D.L., Ward H. Investigation of noise sources in the LTP Interferometer S2-AEI-TN-3028.2008. http://hdl.handle.net/11858/00-001M-0000-0013-4724-5 (accessed on 7 April 2021)
14. Salvadé Y., Dändliker R. Limitations of interferometry due to the flicker noise of laser diodes // Journal of the Optical Society of America A. 2000. V. 17. P. 927–932. https://doi.org/10.1364/JOSAA.17.000927
15. Drever R.W.P., Hall J.L., Kowalski F.V., Hough J., Ford G.M., Munley A.J., Ward H. Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator // Applied Physics B. 1983. V. 31. P. 97–105. https://doi.org/10.1007/BF00702605
16. Supplee J.M., Whittaker E.A., Lenth W. Theoretical description of frequency modulation and wavelength modulation spectroscopy // Appl. Opt. 1994. V. 33. P. 6294–6302.
17. Numata K., Yu A.W., Jiao H., Merritt S.A., Micalizzi F., Fahey M.E., Camp J.B., Krainak M.A. Laser system development for the LISA (Laser Interferometer Space Antenna) mission // In Solid State Lasers XXVIII: Technology and Devices // Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series. 2019. V. 10896. P. 108961H. https://doi.org/10.1117/12.2508181
18. Gibert F., Nofrarias M., Karnesis N. et al. Thermoelastic induced phase noise in the LISA Pathfinder spacecraft // Classical and Quantum Gravity. 2015.
V. 32. № 4. P. 045014. https://doi.org/10.1088/0264-9381/32/4/045014